环氧胶膜在铝合金
作者:郭绍华 苏航 冉安国 来源:《粘接》2016年第01期
摘要:研究了飞机结构件中铝合金-泡沫塑料夹层结构的界面胶接工艺。通过对铝合金-泡沫塑料胶接缺陷的分析,自制了一种环氧胶膜。通过对2种结构的强度对比,表明自制环氧胶膜的应用可有效改善铝合金-泡沫塑料界面胶接质量。 关键词:自制环氧胶膜;泡沫塑料;夹层结构;胶接
中图分类号:TQ433.4+37 文献标识码:A 文章编号:1001-5922(2016)01-0077-02 泡沫塑料夹层结构复合材料目前在风能、船舶制造、体育运动器材、交通运输、医用设备配件等领域中大量应用[1],在航空、航天中的应用也越来越多,如推进器鼻锥、雷达罩、隔热罩、直升机桨叶、空中客车A380气密机舱的球面框等[2]。泡沫塑料夹层结构一般是由上面板、下面板、芯层、上下面板与芯层的粘接层所构成[3]。
泡沫塑料夹层结构面板材料可以采用钛合金、玻璃钢薄板[4]等,芯层通常采用聚氯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫等[5]。在飞机的一些结构件中使用铝合金薄板作为泡沫夹层结构的面板。某制件为铝合金薄板作面板、硬质聚氯乙烯泡沫塑料作芯层的夹层结构,由于面板与芯层均为刚性材料,胶接面配合性差,导致该零件在使用过程中面板局部常出现脱胶现象,严重影响产品质量。经分析认为,该制件面板在胶接时,胶层材料无法兼顾泡沫层和面板层两种刚性界面,胶接并不牢靠,当面板遭受外力时,容易造成脱胶。
在横向载荷的作用下,上下面板主要承担拉应力和压应力,芯层主要承担剪切应力[6]。上下面板与芯层的粘接层要有足够的剪切强度和韧性,保证粘接层不先于芯层而破坏,才能把剪切应力从面层传递到芯层,最终保持夹层结构的整体性。因而在该制件粘接层中使用剪切强度更高的胶粘剂,是解决脱胶问题的必然选择。在复合材料制件成型过程中常用胶膜作为面板和芯层的粘接层材料。对于玻璃纤维或碳纤维复合材料的面板,可以使用胶膜通过加温、加压将面板与芯层胶接。但由于该夹层结构制件必须在室温下胶接,因而不适宜采用常用胶膜胶合面板与芯层,因而考虑采用一种自制环氧胶膜作为面板与芯层的粘接层。
该自制环氧胶膜以经过表面处理的玻璃纤维布作为载体,用室温固化环氧胶粘剂将玻璃纤维布完全浸渍后制成,然后在湿态下将其铺贴于铝合金面板与泡沫芯层之间。该自制环氧胶膜的优势在于:首先,采用剪切强度更好的室温胶粘剂作粘接层,提高了粘接层的抗剪切能力;其次,自制环氧胶膜具有一定的可塑性及厚度,可与铝合金面板及泡沫芯层良好贴合;再次,以玻璃纤维布作为载体,在真空压力的作用下,使胶液沿着载体填充于面板与芯层胶接的间隙中,为胶液的合理分布提供了条件。自制环氧胶膜用于该制件制造后,面板再未发生脱胶现象。
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1 实验部分 1.1 实验用材料
EW100无碱玻璃纤维布,陕西华特;SW100高强玻璃纤维布,中材科技;H-6室温固化胶粘剂,自配;J-241室温固化胶粘剂,黑龙江石油化学研究院;铝合金薄板,自制。 1.2 试样制备及测试
试样分为A、B 2种结构。A结构面板与芯层之间用H-6室温固化胶粘剂粘接;B为自制环氧胶膜胶接结构,自制环氧胶膜以J-241作为胶粘剂,载体为2层SW100高强玻璃纤维布及1层EW100无碱玻璃纤维布。A、B分别制作一组剪切试样及滚筒剥离试样,剪切试样的制作及测试按照GB/T1455—2005进行;滚筒剥离试样的制作及测试按照GB1457—2005进行。 2 结果与讨论 2.1 剪切强度
剪切强度测试结果见表1。
表1数据显示,B结构的剪切强度平均值大于A结构。脱胶通常发生在结构最薄弱的界面胶接缺陷部位,因而须对强度数据分情况分析。从破坏形式上看,A、B 2结构各有3件试样为内聚破坏,且发生内聚破坏试样的剪切强度均为表1中较高的数值。图1为做完剪切试验后的试样照片图。
将2组试样剪切强度中的3个高值去除,仅对比发生界面破坏试样的数据,B结构2个界面破坏强度数据(1.49 MPa、1.71 MPa)明显高于A结构(1.40 MPa、1.30 MPa),可以看出B结构的界面剪切强度明显优于A结构。
J-241的室温剪切强度为26 MPa,而H-6的室温剪切强度仅为4.86 MPa。胶粘剂剪切强度的提高起到了关键作用;同时自制环氧胶膜的存在使得面板与芯层胶合更加紧密,对剪切强度提高也产生了较好效果。 2.2 滚筒剥离强度
滚筒剥离强度测试结果见表2。
表2显示,B结构的面板滚筒剥离强度平均值明显高于A结构,说明B结构面板与芯层粘接效果优于A结构。图2为做完滚筒剥离试验后的试样照片图。
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从破坏形式来看,A、B结构滚筒剥离试样均为界面破坏,但是A结构试样在界面均存在不同程度的缺胶现象,这与脱胶发生时的实际情况相符; B结构试样的界面良好,未出现缺胶的现象。 3 结论
(1)采用自制环氧胶膜结构的剪切强度平均值(1.78 MPa)、滚筒剥离强度平均值(13.04 N·mm/mm)分别比未采用自制环氧胶膜结构的剪切强度平均值(1.66 MPa)、滚筒剥离强度平均值(10.31 N·mm/mm)提高了7.2%及26.5%;
(2)自制环氧胶膜的应用有效改善了铝合金-泡沫塑料界面的胶接质量,解决了面板的脱胶问题。 参考文献
[1]赵锐霞,尹亮,潘玲英,等.PMI泡沫夹层结构性能研究[J].宇航材料工艺,2012,(5):34-37.
[2]赵锐霞,尹亮,潘玲英. PMI泡沫夹层结构在航天航空工业的应用[J].宇航材料工艺,2011,(2):13-16.
[3]胡培.飞机夹层结构的设计和泡沫芯材的选择[J].航空制造技术,2010,17:94- 96. [4]益小苏,杜善义,张立同,等.中国材料工程大典[M].北京:化学工业出版社,2005. [5]刘永涛,杨杰,黄业青,等.泡沫夹层复合材料耐水性能研究进展[J].材料导报,2011,25:439-443.
[6]林晓虎,杨庆生.航空航天夹层结构抗冲击性能的研究现状[J].航空制造技术,2013,10:71-74.
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